(57)【要約】【課題】回転軸方向に薄くした形状で軽量化を図り、高出力が得られる永久磁石回転電機を提供する。【解決手段】電機子巻線を設けて構成される固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、ハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子とを有する回転電機において、非磁性部材で構成される前記回転子には、前記回転電機の回転軸から周方向に前記ハルバッハ配列された永久磁石列を前記回転軸方向に沿って２列設け、２列の前記永久磁石列と対向するように２列の前記永久磁石列の間に前記電機子巻線を配置するとともに前記永久磁石の磁束が前記電機子巻線に鎖交するように配置し、２列の前記永久磁石列内の前記永久磁石の磁極は、前記回転軸方向の前記永久磁石の磁極については同一方向を、周方向の前記永久磁石の磁極については逆方向を向いている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を設けて構成される固定子と、
前記固定子に対し回転可能に支持され、ハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子と、
を有する回転電機において、
非磁性部材で構成される前記回転子には、前記回転電機の回転軸から周方向に前記ハルバッハ配列された永久磁石列を前記回転軸方向に沿って２列設け、２列の前記永久磁石列と対向するように２列の前記永久磁石列の間に前記電機子巻線を配置するとともに前記永久磁石の磁束が前記電機子巻線に鎖交するように配置し、２列の前記永久磁石列内の前記永久磁石の磁極は、前記回転軸方向の前記永久磁石の磁極については同一方向を、周方向の前記永久磁石の磁極については逆方向を向いていることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】
電機子巻線を設けて構成される固定子と、
前記固定子に対し回転可能に支持され、ハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子と、
を有する回転電機において、
非磁性部材で構成される前記回転子には、前記回転電機の回転軸から周方向に前記ハルバッハ配列された永久磁石列を設け、前記永久磁石列と対向するように前記電機子巻線を配置するとともに前記永久磁石の磁束が前記電機子巻線に鎖交するように構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項３】
前記電機子巻線は、前記回転子に設けられているシャフトを保持する前記固定子に設けられた軸受を介して前記回転電機の前記回転軸側から支持されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項４】
前記固定子は前記回転子に設けられているシャフトを保持する軸受を有し、前記電機子巻線は前記回転電機の外周側から前記固定子に対して支持されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項５】
前記永久磁石列は、前記電機子巻線に対向する面とは反対側の面に磁性部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項６】
前記電機子巻線は、空芯巻線で形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子巻線を有する固定子に対し回転可能に支持された回転子にハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ極とＳ極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（例えば周方向）に着磁された補助磁石を備えたものである（例えば、特許文献１、２参照）。永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。
【０００３】
従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機では、ヨーク鉄心に電機子巻線が巻かれており、永久磁石、電機子巻線、ヨーク鉄心の間に磁束が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２０１０９号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００４−３５０４２７号公報（第１乃至２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の回転電機は、固定子や回転子に鉄心（磁性部材）を用いているため、回転電機の質量が重くなる。さらに、回転電機の高出力化を図るには、回転電機の回転軸方向もしくは径方向を長くする必要がある。
【０００６】
この発明の目的は、回転軸方向に薄くした形状で軽量化を図り、高出力が得られる永久磁石回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の永久磁石回転電機は、電機子巻線を設けて構成される固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、ハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子とを有する回転電機において、非磁性部材で構成される前記回転子には、前記回転電機の回転軸から周方向に前記ハルバッハ配列された永久磁石列を前記回転軸方向に沿って２列設け、２列の前記永久磁石列と対向するように２列の前記永久磁石列の間に前記電機子巻線を配置するとともに前記永久磁石の磁束が前記電機子巻線に鎖交するように配置し、２列の前記永久磁石列内の前記永久磁石の磁極は、前記回転軸方向の前記永久磁石の磁極については同一方向を、周方向の前記永久磁石の磁極については逆方向を向いている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、回転軸方向に薄くした形状で軽量化を図り、高出力が得られる永久磁石回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の斜視図。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の斜視図。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の斜視図。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の斜視図。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の磁束密度分布を示す図。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の磁束密度分布を示す図。
【図１５】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す斜視図。
【図１６】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す斜視図。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す斜視図。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。永久磁石回転電機１は、固定子６に電機子巻線４及び軸受８が形成され、回転子５に第１の永久磁石列２、第２の永久磁石列３及びシャフト７が形成されて構成される。
【００１１】
永久磁石回転電機１は、回転子５に形成されているシャフト７を固定子６に形成されている軸受８で保持している。
【００１２】
電機子巻線４は、軸受８を介して回転子５に対して回転軸近傍で固定されている。さらに、電機子巻線４は、第１の永久磁石列２と第２の永久磁石列３の間に配置されている。電機子巻線４は、回転軸方向に第１の永久磁石列２と第２の永久磁石列３と対向している。
【００１３】
ここで、電機子巻線４は、図１０および図１２に示すように集中巻きによる空芯巻線で形成されている。電機子巻線４は、例えばボビンに巻線を巻いたコイルにより形成されていてもよい。さらに、電機子巻線４は、回転軸であるシャフト７から周方向に複数設けられている。例えば、電機子巻線４は、三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。
【００１４】
回転子５には、第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３が回転軸方向に沿って２列で配置されている。永久磁石回転電機１には、軸受８で保持されたシャフト７の突出方向に沿って、第２の永久磁石列３、電機子巻線４、第１の永久磁石列２の順で配置されている。
【００１５】
第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３は、回転軸から周方向に永久磁石１１が配列されている。
【００１６】
第１の永久磁石列２は、電機子巻線４と回転軸方向に対向してシャフト７から径方向に突出した回転子５に例えば接着等により取り付けられている。第２の永久磁石列３は、電機子巻線４の外周側を回り込み、回転子５の外周側と第２の永久磁石列３の外周側とを接続することで、回転子５に対して固定されている。つまり、回転子５は、断面Ｕ字状で電機子巻線４の外周側を覆っている。回転子５は、電機子巻線４に電流を流すことで、シャフト７を回転軸として固定子６上で回転する。
【００１７】
ここで、図９は、電機子巻線４および第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。図１０は、図９に示す状態から第１の永久磁石列２の一部を切り欠いて示す斜視図である。永久磁石１１に示す記号は、磁極の向きを示している。第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３を構成する永久磁石１１は、径方向の長さよりも回転軸方向の長さが短い形状である。
【００１８】
回転子５には、ハルバッハ配列で構成された略円筒形状の第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３が周方向に設けられている。
【００１９】
第１の永久磁石列２は、磁極方向が回転軸方向に交互となるように回転軸方向に着磁された永久磁石１１を周方向に沿って一つ置きに配置している。さらに、第１の永久磁石列２は、磁極方向が周方向に交互となるように周方向に着磁された永久磁石１１を周方向に沿って一つ置きに配置している。つまり、第１の永久磁石列２は、周方向に４つの異なる方向に着磁された永久磁石１１を等周期で配置している。第２の永久磁石列３は、第１の永久磁石列２における永久磁石の配置の順番と同様である。
【００２０】
回転軸方向に着磁された磁極については、回転軸方向に対向する第１の永久磁石列２の永久磁石１１の磁極と第２の永久磁石列３の永久磁石１１の磁極とが同一方向になるように構成する。回転軸方向に着磁された永久磁石１１の間にある周方向に着磁された永久磁石１１については、回転軸方向に対向する第１の永久磁石列２の永久磁石１１の磁極と第２の永久磁石列３の永久磁石１１の磁極とが反対方向になるように構成する。
【００２１】
図１３は第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図である。第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の磁束が電機子巻線４を鎖交する。電機子巻線４に例えば三相交流を流すことで回転子５が回転する。
【００２２】
図１３に示すように、回転軸方向に着磁された永久磁石１１に多くの磁束が発生していることが分かる。つまり、電機子巻線４に鎖交することにより大きなトルクを得ることが可能になる。一方、周方向に着磁された永久磁石１１の磁束は、第１の永久磁石列２と第２の永久磁石列３とでは反対の向きになり、互いの磁束をキャンセルする働きをする。
【００２３】
第１の実施形態によれば、永久磁石回転電機１には、固定子６から回転軸方向に沿って第２の永久磁石列３、電機子巻線４、第１の永久磁石列２の順で設けられているので、回転軸方向の厚さを薄くすることができる。さらに、永久磁石回転電機１は、第１の永久磁石列２と永久磁石列３の２列で構成されているため、全体形状を大きくすることなく高出力化を実現できる。
【００２４】
図２は第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。第１の永久磁石列２は、電機子巻線４と回転軸方向に対向させるとともに、シャフト７から径方向に突出した回転子５に取り付けられている。第２の永久磁石列３も、電機子巻線４と回転軸方向に対向させるとともに、シャフト７から径方向に突出した回転子５に取り付けられている。電機子巻線４は、第１の永久磁石列２と第２の永久磁石列３の間に配置されている。
【００２５】
電機子巻線４は、第２の永久磁石列３の外周側を回り込み、固定子６の外周側と電機子巻線４の外周側とを接続することで、固定子６に対して固定されている。電機子巻線４は、永久磁石回転電機１の外周側近傍で固定されている。つまり、固定子６は、断面Ｕ字状で電機子巻線４の外周側を覆っている。永久磁石回転電機１が図２のような形状であっても、図１に示す場合と同様に、回転軸方向の厚さを薄くするとともに、全体形状を大きくすることなく高出力化を実現できる。
【００２６】
図３は、第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。図３に示す永久磁石回転電機１は、図１に示す第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１に磁性部材９および磁性部材１０を配置した例である。図４は、第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。図４に示す永久磁石回転電機１は、図２に示す第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１に磁性部材９および磁性部材１０を配置した例である。第２の実施形態では、図１と同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
磁性部材９は、第１の永久磁石列２における電機子巻線４と対向する面とは反対側の面に配置されている。磁性部材１０は、第２の永久磁石列３における電機子巻線４と対向する面とは反対側の面に配置されている。
【００２８】
第２の実施形態では、永久磁石回転電機１に磁性部材９および磁性部材１０を配置しているので、電機子巻線４を鎖交する磁束が第１の永久磁石列２に磁性部材９が配置されている側および第２の永久磁石列３に磁性部材１０が配置されている側から漏れることはない。
【００２９】
第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の間の電機子巻線４が配置された位置には磁束が閉じ込められるので、永久磁石回転電機１ではより大きなトルクを得ることが可能になる。
【００３０】
図５は第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。第３の実施形態では、図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。図５は、回転子５に第１の永久磁石列２の１列のみ配置した例である。
【００３１】
永久磁石回転電機１には、軸受８で保持されたシャフト７の突出方向に沿って、電機子巻線４、第１の永久磁石列２の順で配置されている。第１の永久磁石列２は、電機子巻線４と回転軸方向に対向させるとともに、シャフト７から径方向に突出した回転子５に取り付けられている。電機子巻線４は、固定子６に対して回転軸方向に空間を設けることなく取り付けられている。
【００３２】
ここで、図１１は、電機子巻線４および第１の永久磁石列２における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。第１の永久磁石列２を構成する永久磁石１１の配列は、図９に示す第１の実施形態で説明した場合と同様である。
【００３３】
図１４は、第３の実施形態に係る永久磁石電動機１の回転軸方向断面の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図である。図１４に示すように、第１の永久磁石列２磁束が電機子巻線４を鎖交する。図１４に示すように、回転軸方向に着磁された永久磁石１１によって発生する磁束、周方向に着磁された永久磁石１１によって発生する磁束については、図１３に示す第１の実施形態で説明した場合と同様である。
【００３４】
図５に示す第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１は、図１に示す第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１に比べて、第２の永久磁石列３を配置していないため、出力（トルク）は低下する。しかしながら、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１は、第１の実施形態で設けられていた第２の永久磁石列３を含む電機子巻線４と固定子６との回転軸方向の間の厚さ分を省くことができるため、回転軸方向の厚さをさらに薄くできる。加えて、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１は、第２の永久磁石列３を省いた分軽量化できる。
【００３５】
図６は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。図６に示す永久磁石回転電機１は、図５に示す第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１に磁性部材９を配置した例である。磁性部材９は、第１の永久磁石列２における電機子巻線４と対向する面とは反対側の面に配置されている。永久磁石回転電機１に磁性部材９を配置した効果は、図３に示す第２の実施形態で説明した効果と同様である。
【００３６】
図７は第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。図５は、回転子５に第２の永久磁石列３の１列のみ配置した例である。永久磁石回転電機１には、軸受８で保持されたシャフト７の突出方向に沿って、第２の永久磁石列３、電機子巻線４の順で配置されている。
【００３７】
第２の永久磁石列３は、電機子巻線４と回転軸方向に対向させるとともに、シャフト７から径方向に突出した回転子５に取り付けられている。電機子巻線４は、第２の永久磁石列３の外周側を回り込み、固定子６の外周側と電機子巻線４の外周側とを接続することで、固定子６に対して固定されている。電機子巻線４は、永久磁石回転電機１の外周近傍で固定されている。つまり、固定子６は、断面Ｕ字状で第２の永久磁石列３の外周側を覆いつつ、第２の永久磁石列３を回転軸方向に挟み込んでいる。
【００３８】
ここで、図１２は、電機子巻線４および第２の永久磁石列３における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。第２の永久磁石列３を構成する永久磁石１１の配列は、図９に示す第１の実施形態で説明した場合と同様である。
【００３９】
図７に示す第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１は、図５に示す永久磁石回転電機１と同様に、図１に示す第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１に比べて、回転軸方向の厚さを薄くできるとともに、軽量化できる。
【００４０】
図８は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。図８に示す永久磁石回転電機１は、図７に示す第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１に磁性部材１０を配置した例である。磁性部材１０は、第２の永久磁石列３における電機子巻線４と対向する面とは反対側の面に配置されている。永久磁石回転電機１に磁性部材１０を配置した効果は、図３に示す第２の実施形態で説明した効果と同様である。
【００４１】
図７および図８に示す第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１は、回転子５が固定子６によって覆われるように永久磁石回転電機１の内部に形成されるため、使用時の安全性が向上する。
【００４２】
ここで、第１の実施形態から第３の実施形態で用いられる回転子５および固定子６の材質について説明する。回転子５は、薄い電磁鋼板を積層して形成されている。固定子６も、回転子５と同様に薄い電磁鋼板を積層して形成されている。回転子５および固定子６は、これに限られず、非磁性金属部材や樹脂部材など、非磁性部材で形成されていても良い。この場合、固定子６は、加工および電機子巻線４の接着による取り付けが容易となる。さらに、永久磁石回転電機１全体としての軽量化、製造コストの削減を図ることができる。
【００４３】
次に、永久磁石１１をハルバッハ配列した第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の形状について説明する。図１５は、図９で説明した場合と同様に、電機子巻線４および第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。図１６は、図１０で説明した場合と同様に、図１５に示す状態から第１の永久磁石列２の一部を切り欠いて示す斜視図である。図１７は、図１１で説明した場合と同様に、電機子巻線４および第１の永久磁石列２における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。
【００４４】
図１８は、図１２で説明した場合と同様に、電機子巻線４および第２の永久磁石列３における永久磁石１１の配列を示す斜視図である。
【００４５】
図１５から図１８に示す例では、図９から図１２に示す例と比べて、第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３に配列される永久磁石１１の数および電機子巻線４の数は少ない。永久磁石回転電機４で発生するトルクは、電機子巻線４を鎖交する磁束に依存するため、図９および図１５に示すように第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の外径ａ、内径ｂ、厚さｃによって影響する。したがって、永久磁石回転電機４の用途に応じて、任意の永久磁石１１の形状および数で第１の永久磁石列２、第２の永久磁石列３を配列し、任意の形状および数で電機子巻線４を配置することができる。
【００４６】
上記説明したように、第１の実施形態から第３の実施形態によれば、永久磁石回転電機１を構成する回転子５および固定子６に鉄心を用いていないので、軽量化を図れるとともに、製造が容易になり製造コストを削減することができる。固定子６は、非磁性部材で形成されているので、永久磁石回転電機１はトルクリップルを低減できる。
【００４７】
さらに、永久磁石回転電機１は、ハルバッハ配列された略円筒形状の第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の２列で回転軸方向に沿って配置しているため、第１の永久磁石列２および第２の永久磁石列３の間で効率の良い磁束密度分布となり、高出力化が図れる。加えて、永久磁石回転電機１は、回転軸方向に沿って第１の永久磁石列２と第２の永久磁石列３の間に電機子巻線４を配置しているので、回転軸方向の厚さを薄くすることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…永久磁石回転電機、２…第１の永久磁石列、３…第２の永久磁石列、４…電機子巻線、５…回転子、６…固定子、７…シャフト、８…軸受、９…磁性部材、１０…磁性部材、１１…永久磁石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010284036.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010284036.tif 000016
【図１５】
2010284036.tif 000017
【図１６】
2010284036.tif 000018
【図１７】
2010284036.tif 000019
【図１８】
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